Автоматизация сварочных процессов

Механизация электродуговой сварки на базе автоматических сварочных кареток от компании «ДельтаСвар»

Необходимость автоматизации сварочных процессов определяется, прежде всего, такими их характерными особенностями, как высокие энергетические параметры, скоротечность отдельных этапов энергетических преобразований и процесса формирования сварного соединения, труднодоступность зоны сварки для непосредственного измерения и контроля, повышенный уровень вредных воздействий на здоровье человека и необходимость оперативной оптимизации сварочных процессов в соответствии с выбранным критерием.

В общем объеме операций по производству сварных конструкций на процесс сварки обычно приходится 15...20%, однако он определяет свойства и эксплуатационную надежность конструкций. Большое количество параметров, влияющих на ход сварочных процессов, и высокие скорости их изменения требуют для управления ими обработки значительного объема информации в единицу времени, поэтому автоматизация оказывается обязательным условием успешного и качественного выполнения сварочных процессов. Невозможность поддержания непрерывной вольтовой дуги при сварке плавящимся электродом обусловила создание автоматического регулятора Н. Г. Славяновым, что и обеспечило реальную возможность промышленного применения дуговой сварки плавящимся электродом.

Цель автоматизации сварочных процессов - получение сварных соединений с требуемыми свойствами при наилучших технико-экономических показателях без непосредственного участия человека. Автоматизация сварочных процессов, при которой повышается точность управления и контроля, а также исключается влияние на технологический процесс субъективных факторов (мастерство рабочего, его утомляемость и т. п.), направлена прежде всего на повышение качества сварных соединений и его стабилизацию в пределах партии однотипных изделий. Исключение или сведение к минимуму количества недопустимых дефектов сварных швов снижает потери рабочего времени, энергетических и материальных ресурсов, связанные с исправлением брака.

Автоматизация сварочных процессов сопровождается реальным повышением производительности труда и экономией трудовых ресурсов.

Социальный аспект автоматизации предполагает освобождение человека от непосредственного выполнения сварочных операций и управления сварочным оборудованием прежде всего в условиях вредных, либо опасных для здоровья, а также при выполнении рутинных операций нетворческого характера. Автоматизация сопровождается созданием новых средств производства, которые в свою очередь служат основой разработки и применения прогрессивных технологий сварки.

Непосредственное решение общей задачи автоматизации сварочного производства затруднено многомерностью объектов. Выбор оптимального варианта стратегии управления сварочными процессами определяется типом технологического процесса и основными целями. Аппаратура и системы управления классифицируются по алгоритму управления, который определяет выбор альтернативной цели управления. При этом можно выделить следующие группы систем управления.

Для решения простейших задач автоматизации сварочных процессов таких, как перемещение источника нагрева, подача присадочного материала при сварке плавлением, изменение силы сварочного тока при контактной сварке, применяют программное управление с разомкнутым циклом (рис. 1.5, а). Программирующее   устройство   (ПУ)   изменяет   управляющее воздействие Х_y по закону, задающему требуемые изменения управляемой величины в сварочном процессе как объекте управления (ОУ). Для предупреждения вредного влияния на сварочный процесс отдельных ожидаемых возмущений, например, изменения напряжения сети, используют разомкнутые системы компенсации, обладающие повышенным быстродействием (рис. 1.5, б). При возникновении возмущения В оно преобразуется измерителем возмущений ИВ в компенсирующий сигнал, устраняющий влияние возмущения В на выходной параметр Х_вых.

В замкнутых системах автоматического регулирования (САР) изменение регулирующего воздействия Х_р (рис. 1.6), определяющего изменение регулируемой величины Х_вых, происходит до тех пор, пока Х_вых не достигнет требуемого значения и не восстановится равновесие системы регулирования, определяемое условиями:

Источником корректирующего воздействия на систему служит главная (отрицательная) обратная связь, сигнал Х_о.с которой определяется только отличием измеренного значения Х_вых от задаваемого Х_вх, и не зависит от параметров и места приложения возмущений В. Обратные связи выполняют на основе измерителей силы сварочного тока,  напряжения,различных видов излучений из зоны сварки, положения границы шлак-металл при электрошлаковой сварке, перемещений электродов или заготовок при контактной сварке и других параметров сварочного процесса. Замкнутые САР применяют прежде всего для стабилизации энергетических параметров сварочных процессов.

Эффективность автоматизации сварочных процессов во многом определяется точностью подготовки заготовок и их сборкой.

Размеры заготовок получаются из предшествующих сварке технологических (заготовительных) операций и, следовательно, предопределяют линии стыков с их неточностями по направлению, зазору, превышению кромок и др. Поэтому автоматизация сварочных процессов целесообразна и эффективна только при наличии механизации и автоматизации заготовительных и сборочных операций. Даже при выполнении этих условий неизбежны отклонения положения и формы соединений в результате значительных температурных деформаций и перемещений свариваемых деталей вследствие неравномерности нагрева изделия при сварке.

Для автоматического ведения электрода по оси стыка при дуговой сварке при нарушении прямолинейности стыка вследствие погрешностей их подготовки под сварку, тепловых деформаций, а также при сварке криволинейных швов применяют следящие системы. В таких системах закон изменения задающего воздействия y(t) — заранее неизвестная функция времени, определяемая текущими отклонениями линии сопряжения свариваемых деталей или параметров стыка (зазора, сечения разделки) от расчетных значений. В качестве средств измерения таких отклонений используют как устройство прямого копирования, так и различные электромеханические, бесконтактные (магнитные, фотоэлектрические) датчики, видеосенсорные и другие подобные устройства.

В общем случае автоматизация сварочных процессов осуществляется на основе совместного использования указанных систем. Так, программное управление последовательностью операций сварочного цикла и перемещения сварочного инструмента, изменениями параметров режима, в частности при зажигании дуги, заварке кратера и т. п. обычно дополняется локальными САР (регуляторами) важнейших параметров режима сварки. По существу локальные регуляторы представляют собой малые вычислители, которые в общем случае решают уравнения типа

где К₀, К₁, К₂ -  коэффициенты, определяемые параметрами настройки устройств 3 и 4 регулятора (см. рис. 1.6). Любую задачу автоматизации сварочных процессов как частный случай общей проблемы обработки информации можно представить совокупностью отдельных операций, выполняемых в определенной последовательности. Универсальным устройством современных вычислительных систем, реализующих заданный программой процесс решения задачи, является микропроцессор. Созданные на основе микропроцессоров, дополненных памятью, внешними устройствами и средствами связи, микроЭВМ характеризуются малыми размерами, низкой стоимостью, высокой надежностью и экономически оправданы не только для группового, но и для индивидуального управления сборочно-сварочными установками и даже отдельными устройствами установки. Пример микропроцессорной системы управления дуговой сваркой приведен на рис. 1.7.

Применение ЭВМ в системах автоматизации позволяет реализовывать адаптивное управление сварочными процессами, которое предполагает самонастройку системы при изменении внешних условий и на основе информации об условиях и качестве формирования сварного соединения. Для этого в системе должно быть реализовано выполнение трех функций           идентификации    (определениемгновенного состояния процесса или системы), принятия решений (программа настройки), настройки (физическая реализация принятого решения), которые позволяют гибко реагировать на появление различных возмущений.

Примером может служить действующая адаптивная система управления сваркой неповоротных стыков труб малого диаметра с автоматической стабилизацией выпуклости в корне шва. Система обеспечивает оценку интегрального эффекта совместного влияния технологических возмущений, характерных для каждого стыка, по энерговложению, необходимому для достижения сквозного провара на начальном участке сварки - участке идентификации. На основании этой информации управляющая микроЭВМ вычисляет изменение параметров сварочного режима для основной части стыка и обеспечивает ввод уставок в задающие устройства регуляторов параметров сварочного режима.

С точки зрения аппаратуры и систем управления электросварочное оборудование следует разделить на следующие виды; оборудование общего применения, специальные машины и установки, сборочно-сварочные линии, сварочные работы. Существует множество типов архитектуры аппаратных средств, на основе которых можно реализовать различные варианты стратегии управления сварочными процессами и оборудованием — контроллеры автономные (оборудование общего применения — автоматы и полуавтоматы для дуговой сварки, машины контактной сварки и др.), линейные и системные (системы управления с распределенной вычислительной мощностью и распределенной конструкцией в качестве локального регулятора; системы управления установками, линиями, роботами).

Патон Б.Е. "Машиностроение Энциклопедия т.IV-6. Оборудование для сварки"